浅谈热流道的加热器

由焦耳-楞次定律可知，电流通过具有一定电阻的导体时会发热。利用电阻发热原理制成的电加热器就称为电阻式电热器。

电阻式电热器在日常生活中应用十分广泛，储水式热水器，电饭锅，电饼铛，空气炸锅，烤箱等的发热元件都有用到它。

电阻式加热器的结构都是一样的。都是将电阻丝放进不锈钢管中，填充氧化镁粉末以绝缘导热，再挤压成型。

加热器结构图

加热器加工出来时都是如上图，是笔直的直条，应用时再根据需要折弯成不同的形状。热咀用的加热器一般直径较小，大多在1.5mm-6mm左右，分流板用的则较粗，多在6mm以上。虽然结构一样，但因使用的场合不同，所以热流道加热器的外观，性能各异，下面一一说明。



弹簧圈加热器

上图是目前低端产品上应用最为广泛的弹簧圈加热器。它最大的优点是制造简单，只需将直条用简单的治具缠绕即可。更换也十分方便，可实现现场处理，不必返厂。它的内径须比热咀外径小1-2mm，以使其紧紧的箍在热咀上。它也可以方便的实现粗略的热量分布调整（改变匝间距）。它的缺点也十分明显：从上面的图片可知，理论上加热器与热咀有一个矩形面接触，即25%的接触面积，实际上远小于此，尤其是在加热时。接触面积越小，传热效率就越低，加热器悬空形成局部高温（工作时烧得发红）也使得使用寿命缩短。加热时由于热膨胀，会在长度方向发生移动，内径方向也会变松，这又让热量分布发生改变。这种加热器的寿命短，温度分布一致性差，损耗巨大，温度均衡性差，为了改善这些问题，人们作了如下改进：





即在弹簧圈外加不锈钢管，使其在高温状态下也能紧箍在热咀上，改善热传递效果。改进后也不太适用于300度以上高温场合，不适用于热敏材料，玻纤增强材料，结晶材料，防火料等对热咀热性能要求高的场合，尤其是单个加热器长度大于150mm的情况下。将一个热咀的加热区作更多更细致的划分可以进一步改善热性能。如下图，同一个热咀用三组较短的加热器来加热其效果大大优于一组，两组的。

 

多组改进版弹簧加热器的热咀

为改善热均质，又兼顾维修方便，成本低廉，人们在导热性能优异，机加方便的铜管上铣出凹槽，把直条的加热器随形嵌入槽中，便得到了如今广泛应用的铜套式加热器。

铜套加热器

由图可知，它理论上有三个面，75%的面积和铜套管接触，热损耗和热均衡性较之弹簧圈加热器有不少的提高。但实际上，加热器与凹槽间存在间隙，铜套内孔与热咀外径存在间隙。间隙的存在决定了损耗，局部高温，局部冷点的问题没有彻底消除。但相比弹簧圈确实进步不少，在主流热流道品牌也多有应用。它可用于绝大多数塑胶材料的成型，但300度以上的高温料，加纤，防火料仍需慎重。单支的长度尽量不要超过150mm。长度越长，要求的内径间隙越大。高温下铜材易变形，易形成氧化膜，也导致折卸困难。





嵌入式加热器

另外一种广泛应用的加热器类型是嵌入式的。如上图所示，它是在热咀本体上直接铣出凹槽，再将直条加热器随型嵌入。相对于铜套式加热器它进一步减少了配合间隙，热损耗和热均质，使用寿命进一步改善，适应塑胶材料的范围进一步扩大。因为是在硬的钢材上加工凹槽，机加难度有所增加，维修更换必须返厂。

熔铸式加热器

在嵌入式的基础上，用银合金粉末充填加热器与凹槽间的间隙，再在高温下熔融金属粉末使加热器与热咀融为一体。这使得原来的间隙完全消除，能耗大幅降低，热效率，热均质也大幅提高，防止了电弧的产生。加热器也不存在局部高温，可以在更低的温度下运行，所以寿命很长，可靠性很高。

厚膜加热器

目前市场上广泛的应用于小家电如热水器，咖啡壶等上面的厚膜加热器在热流道行业也有应用。厚膜加热器件是采用厚膜丝网印刷工艺，在不锈钢基板上印刷绝缘介质、加热电阻、导体、玻璃保护釉等材料，通过高温烧结而成的新型加热器件，以金属电阻浆料为主要原料，印刷形成纯电阻层线路，通电后能有稳定的功率。它的优点是响应迅速，加热均匀，热效率高达97%，控制灵敏，精度可达正负2度。功率密度高达60W/cm2。加热器行业的巨头watlow早些年就有热流道行业的标准件推出，近几年也有外资热流道企业仍在应用。总体应用量极少，市场上极少看到。

再来说分流板用的加热器。

分流板用硬管加热器 
  

分流板用硬管加热器

上面两个图中分流板所用的加热器是目前市场上应用最为广泛的形式。它是在分流板上铣出沟槽，再将直条加热器随形嵌入。因为这种加热器直径粗，比较硬，不方便手工折弯，于是有了下面的软管加热器。

软管加热器

软管加热器最外层是铜质的，可手工折弯，方便现场维修更换，铜质外壳导热性好，更易贴紧沟槽。但价格较高，目前应用不多。

在硬管加热器的基础上，再压入铜条或导热水泥，进一步减少间隙，并利用铜条优秀的导热性，大大加强了分流板整体的热均衡，如下图所示。

覆铜式分流板加热器

与热咀的熔铸式加热器一样，将加热器与分流板熔铸成一体，便得到了分流板的熔铸式加热器。它的性能可参照前文了解。

单纯从加热器的形式来判别热流道热性能的优劣是不客观的。均衡的热流道温度是实现精密成型的前提，结合成本，注塑材料，注塑产品的品质要求考量，合理选择加热器的形式十分重要。增加加热控制区的数目无疑可以提升系统的热均衡，但成本也随之提升。